Бионический протез: история создания, принцип работы

Начиная со времен Средневековья и до сегодняшнего дня человечество пытается создать такие протезы, которые были бы максимально похожи на утраченную конечность не только по своему внешнему виду, но и по функционалу. Облегчить жизнь больным, которым в прежние времена не давалось никаких шансов на реализацию в социуме и улучшение самочувствия, позволяет современная медицина и наука. Бурное развитие технического прогресса позволяет создавать удивительные вещи, которые делают жизнь больных более свободной, позитивной и насыщенной.

Наука будущего

В настоящее время возникла новая дисциплина, сочетающая в себе технику и биологию. Бионика – наука, занимающаяся исследованиями нервной системы, ее клеточек, а также изучением рецепторов. Цель подобной работы состоит в создании инновационных приборов.

Бионика является прикладной дисциплиной, и на сегодняшний день ее развитие происходит достаточно быстрыми темпами. Ведь человечество всегда стремилось обладать такими способностями, которые не были даны ему от природы. Конечно, живое тело может многое. Однако существуют вещи, которые человеку просто не под силу. Это, к примеру, отсутствие возможности разговаривать с людьми, находящимися вне пределов слышимости, а также способность летать. Но человек всегда стремился компенсировать свое несовершенство. Для этого он использовал самые различные внешние приспособления. Так, например, были изобретены телефон и самолет. Но что касается медицинской сферы, здесь все более сложно. При этом каждому из нас понятно, что доктора, в тех случаях, когда с телом пациента что-либо происходит, проводят его «ремонт», пользуясь самыми последними достижениями в этой области.

Бионика – это наука, которая смогла сложить вместе две эти, на первый взгляд, довольно простые концепции. Кроме того, она позволяет нам немного заглянуть в будущее. Ведь там, вполне возможно, врачи начнут активно улучшать своих пациентов, «меняя» им «непригодные», «износившиеся» органы и системы. Кроме того, велика вероятность, что бионика позволит сделать нас такими, какими не смогла создать природа, то есть более сильными и быстрыми. Именно в этом и заключается суть этой науки.

Необычные приспособления

Одно из основных направлений бионики рассматривает вопросы изготовления современных протезов и имплантов. Подобные технологические устройства размещают там, где ранее была утерянная конечность.

Свое название бионический протез получил от слова «бионика». Для создания своих изделий, помимо техники и биологии, данная дисциплина использует достижения электроники и кибернетики, физики и химии, навигации и т.д.

Установленный человеку бионический протез или имплант начинает взаимодействовать с клетками нервной системы. И, несмотря на то что подобные устройства изготавливаются из искусственных материалов, они позволяют пациенту контролировать свои движения. Это становится возможным благодаря методу мышечной реиннервации. Его основной принцип заключен в том, что нервы, когда-то отвечавшие за уже ампутированную ногу или руку, соединяются с оставшимися на конечности мышечными тканями. Они-то и передают сигналы на протезные электронные датчики.
После того как у человека удалили конечность, в его теле остаются нервы, отвечающие за двигательную активность. Врачи с помощью сложной хирургической операции соединяют их с зонами наиболее крупных мышц. Например, в случае ампутированной руки, с грудной.

Как работают бионические протезы? Когда у человека возникает желание пошевелить пальцами, его мозг направляет сигнал для грудной мышцы. Здесь в работу включаются электроды. Они принимают данный сигнал и передают импульс по проводам к процессору, находящемуся внутри бионической конечности. Это и позволяет протезу совершать задуманное движение.

Интересно, что искусственная конечность способна чувствовать даже тепло, давление и прикосновение. Ведь врачи производят соединение живого чувствительного нерва с участком кожи, расположенным на груди. Подобный метод назвали целевой сенсорной реиннервацией. Сенсоры, расположенные на искусственной конечности, направляют сигнал к участку кожи. Далее этот импульс передается в кору головного мозга, и человек, например, способен ощутить высокую температуру и одернуть руку.

На сегодняшний день можно говорить о том, что бионические протезы конечностей только внедряются в жизнь. И пока еще существует проблема качественного управления подобными устройствами.

Бионические руки

Создание подобного протеза заняло у ученых много времени. Конечно, задача перед исследователями стояла не из легких. Как создать настолько умный протез, чтобы он смог воссоздавать все движения своего хозяина, даже самые деликатные? Ведь кончики пальцев кистей человека природа снабдила самыми чувствительными нервными окончаниями, которые и обеспечивают точность при выполнении различных заданий.

Конечно, на сегодняшний день ученым пока не удалось повторить естественные возможности человеческой руки на все сто процентов. Однако имеется несколько довольно интересных попыток, которые позволили максимально точно приблизить искусственную конечность к естественной.

Какими бывают бионические протезы? История создания этих устройств насчитывает пока еще совсем немного времени. Это и становится основной причиной того, что их использование на данный момент не столь массовое. Первые бионические протезы были разработаны учеными, работающими в чикагском Институте реабилитации. Именно им удалось создать устройство, которое позволило пациенту управлять своей рукой и даже распознавать целый ряд ощущений. Первая бионическая рука была поставлена Клаудии Митчелл. Эта женщина, которая в прошлом служила в американском морском флоте, в 2005 г. попала в аварию. Для того чтобы спасти пациентке жизнь, хирургам пришлось провести ей операцию по ампутации левой руки. Причем по самое плечо. Искусственная рука была присоединена к нервам, которые остались без изменения.
Сегодня такой бионический протез выпускается разными производителями. Рассмотрим некоторые из них.

Протезы i-LIMB

Одной из компаний, выпускающей бионические руки, является Touch Bionics. Изначально она производила свои изделия для ветеранов войны. Такая рука-протез может не только брать, но и удерживать предметы. При этом ее пальцы способны двигаться по отдельности и воспроизводить несколько стандартных записанных движений. Интересно, что такой бионический протез может сжимать предметы с разной силой.

Что лежит в основе работы данного устройства? Это микроэлектрический аппарат, способный считывать биоэлектрический потенциал уцелевшей части руки. Далее следует передача информации на программное устройство. Оно и обеспечивает проведение дальнейшего функционирования бионической конечности. Компьютерная система, которой снабжена искусственная рука, содержит в себе определенный перечень стандартных захватов и движений.

Протезы Bebionic3

Эта бионическая рука аналогична описанной выше. С ее помощью человек способен выполнять четырнадцать различных движений и захватов, воспроизводя различные действия.

Данный миоэлектрический протез в настоящее время находится на стадии доработки, но в скором времени может стать полноценной заменой утраченной руки.

Биорука, созданная в Техническом университете Чалмерса

Ученые из этого учреждения создали уникальный протез. Частично он может работать от миоэлектрики, а частично - благодаря импульсам, передаваемым нервной системой инвалида. В руку человека имплантируются электроды, которые и считывают передаваемые мозгом сигналы. Далее эти импульсы поступают в компьютерное устройство, которое перераспределят их в управляемые моторикой. В результате рука-протез способна воспроизвести движения пальцами как одновременно, так и каждого по отдельности.

На сегодняшний день создателями данной модели проводятся работы по ее усовершенствованию. Они ставят перед собой задачу формирования такого протеза, который бы управлялся исключительно нервными импульсами, передаваемыми головным мозгом.

Устройство Эндрю Швартца

Изготовление протезов, выполненных по разработкам этого нейробиолога, позволило изменить жизнь парализованных людей. Первой пациенткой, которой была проведена операция по установке данной биоруки, была женщина, которая страдала от тяжелейшего нейродегенеративного заболевания. Именно этот недуг привел пациентку к потере двигательных функций во всем теле. В мозг женщины были имплантированы специальные электроды, с помощью которых и осуществлялось управление биорукой.

В прототипе нового протеза верхней конечности тактильные сигналы передаются при помощи сенсоров, встроенных в кончики искусственной ладони, запястья и пальцев. Подобное нововведение позволяет пациенту ощущать не только расположение самого протеза. Он чувствует и сжимаемые биорукой предметы.

Конечно, на сегодняшний день можно сказать о том, что подобные ощущения не могут сравниться с естественными, данными нам природой. К тому же материал, из которого выполнен имплантат, не должен находиться в живом организме более месяца. Но тем не менее можно с уверенностью говорить о том, что первые шаги по созданию «умного» протеза уже сделаны.

Бионические ноги

На первый взгляд создание искусственной нижней конечности нового поколения кажется задачей более легкой по сравнению с той, которая стояла перед учеными при создании «умной» руки.

Однако на сегодняшний день исследователям так и не удалось значительно приблизиться к ее решению. Изготовление протезов, способных заменить нижние конечности, конечно, ведется на протяжении уже нескольких лет. Причем исследователи представили уже целый ряд наиболее удачных моделей.

Испытания бионических ног

Учеными университета Вандербильта проводится усиленная работа по созданию двигателей для колена и ступни. Первый пациент, который испытал на себе возможности этой искусственной конечности, – двадцатитрехлетний парень Крейн Хатто. Свою ногу он потерял в схватке с акулой. Анализируя видеоматериалы о походке молодого человека, можно с уверенностью сделать вывод о том, что Крейн хорошо перемещается по разным поверхностям. Хромает он лишь слегка и самостоятельно может пройти расстояние до 14 км. Такой протез способен реагировать даже на самые незначительные изменения во время движения человека.

Еще одна удачная разработка, которую испытали ученые из Университета Вандербилта, а также исследователи Реабилитационного центра из чикагского института, – искусственная нога, установленная Заку Воутеру. Используя технические возможности данного протеза, этот пациент самостоятельно поднялся на 103 этаж небоскреба.

Принцип действия данной модели заключен в том, что протез управляется сигналами, посылаемыми головным мозгом. При этом устройство соединяют с нервными окончаниями, которые имеются в оставшемся участке конечности.

Бионога Tibion

Кроме вышеперечисленных разработок, существуют и другие, не менее достойные модели искусственных нижних конечностей. Одна из них – бионога Tibion. Конструкцию этого протеза исследователи максимально приблизили к тем параметрам, которые имеет скелет естественной ноги. Подобная разработка предназначается для пожилых пациентов, имеющих обездвиженные нижние конечности, например, после инсульта.

Требования к биопротезам

Для того чтобы искусственные конечности были достаточно эффективны в своей функциональности, они должны отвечать таким требованиям:

- иметь основу из легкого и прочного материала (обычно это титановые сплавы), что особенно важно при протезировании нижних конечностей;

- обладать надежной электроникой, что позволит с точностью передавать импульсы с мышц оставшегося участка;

- иметь автономное питание, которое позволит обеспечить работу микродвижка и процессора в течение длительного времени;

- обладать износоустойчивыми деталями, которые имитируют коленный или локтевой сустав;

- максимально быть приближенными по своему анатомическому сходству с ампутированной конечностью.

Установка искусственных конечностей в России

Где в нашей стране может быть поставлен бионический протез? Россия – страна, где подобные устройства не производятся. Однако тем, кто попал в беду и стал инвалидом, помогут в Реабилитационно-ортопедическом центре, который находится в Москве. В течение последних десяти лет специалисты данного учреждения занимаются вопросами протезирования нижних конечностей. В РОЦ изготавливаются современные модульные протезы с применением высокотехнологичных разработок немецкой компании Otto Bock и исландской фирмы Ossur. К таким искусственным конечностям относят современные биопротезы, которые оснащены микропроцессором.

Они способны обеспечить максимально естественную походку. Эти протезы используют такие модули:

1. Rheo Knee. Это коленный модуль самообучающегося типа. Он настолько «умный», что постоянно и непрерывно адаптируется к пациенту, а также к окружающей его среде. В этом модуле применяются самые передовые технологии в виде датчиков нагрузки, которые снимают измерения с частотой 1000 раз в течение секунды.

2. Proprio Foot. Это первая в мире стопа с искусственным интеллектом. Ее ставят пациентам, пережившим операцию по удалению голени. Модуль производит даже автоматическое сгибание щиколотки. Это означает, что по своей функциональности он близок к здоровой стопе.

3. Symbionic Leg. Это полностью бионическая нога. Для ее работы используется объединенное питание, а также управление от одного микропроцессора стопой и адаптивным суставом колена.

Весьма эффективным для инвалидов является бионический протез ноги. Цена на него в РОЦ вместе с установкой находится в пределах от 1 до 3 млн руб.

Конечно, бионические протезы малодоступны для обычных людей. Однако это легко объясняется их сложным устройством и большими функциональными возможностями. Например, бионический протез ноги, цена на который, конечно же, очень велика, позволяет не только нормально ходить, подниматься и спускаться по лестнице, но и заниматься спортом, не отказывая себе в ведении активной жизни.

Какие еще органы можно заменить электроникой?

Под бионическими протезами понимают и кохлеарные имплантаты, которые вживляются в органы слуха. Это особые устройства, представляющие собой систему, в которой находится микрофон, звуковой процессор, а также передатчик звукового сигнала. Последняя из этих деталей фиксируется либо на кожу, либо под волосами. Приемник, являющийся неотъемлемым элементом данного протеза, имплантируется в подкожные ткани пациента, а электроды вводятся внутрь слуховой улитки.

С 1950 года ученые проводят эксперименты, целью которых является создание искусственного сердца. Первая операция по имплантации такого протеза была проведена в 1982 г.

Самым удивительным изобретением по праву считается искусственный глаз. Это сложное устройство, способное частично заменить орган зрения. Оно начинает работать после установки антенны в районе глазного яблока. Изображение попадает на особые очки, которые снабжены камерой и соединены с компьютером, обрабатывающим картинку.